CN113281416B - 一种用于各向异性焊缝缺陷检测的改进相位相干成像方法 - Google Patents

一种用于各向异性焊缝缺陷检测的改进相位相干成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于各向异性焊缝缺陷检测的改进相位相干成像方法，属于无损检测领域。对全矩阵数据进行时延修正，提取修正时延后不同激励‑接收对下信号的相位信息，并构建相位权重矩阵；提取时延修正后不同激励‑接收对下信号幅值信息，并构造幅值矩阵；对幅值和相位信息进行相干处理实现改进的相位相干成像传统成像方法仅考虑时域幅值信息，成像精度较低。相干成像利用幅值和相位信息，可以提高成像精度，但仅适用于各向同性结构。本发明考虑奥氏体不锈钢焊缝各向异性特点，利用射线追踪算法对相干成像中声束走时进行修正，发展一种改进的相位相干成像方法，实现各向异性焊缝中缺陷定位和高精度成像。

Description

一种用于各向异性焊缝缺陷检测的改进相位相干成像方法
技术领域
本发明涉及一种用于各向异性焊缝缺陷检测的改进相位相干成像方法，适用于各向异性介质中缺陷的检测和定位，属于无损检测领域。
背景技术
焊缝连接是将两种或两种以上材料通过物理方式连接成一体的技术，其具有操作简单、生产效率高且密封性能好等优点。因此，焊接结构广泛应用于石油化工、机械制造、船舶制造、核电站等领域。焊接过程中，在热循环应力作用下，焊缝区的晶粒为粗大的柱状晶，这些柱状晶在焊缝局部按一定取向分布，但在焊缝不同区域其取向会发生变化，使得焊缝在整体上呈现出各向异性和不均匀性。
超声技术是目前常用的焊缝的无损检测方法。用传统超声技术对焊缝进行检测时，超声波在粗大柱晶区衰减较大且会发生声束偏折，导致检测信号信噪比低，缺陷检测和定位困难。
国内外学者对各向异性焊缝中声束偏折问题开展了大量研究。明确声波的传播路径是对其偏折进行修正的前提，常用的声波传播路径求解方法有三类：有限元仿真、多元高斯声束叠加、射线追踪。有限元仿真方法可以对各向异性介质中超声波的传播过程进行数值仿真，但需要预先获知结构中晶粒取向分布、弹性常数等材料参数[1]。多元高斯声束叠加法基于近轴近似理论描述声场分布，但在近场区计算误差较大[2]。射线追踪算法主要包括步进法和最短路径算法。步进法需要运用Snell’s定律进行迭代计算，计算效率低(如Ogilvy’s算法)；最短路径算法认为波的传播符合费马原理，波沿传播时间最短路径到达终点，计算效率较高(如Dijkstra算法、A*算法、Beam-bending算法)。例如，Zhou H等[3]把声波按角度分割为若干块，特定角度处用高精度的步进算法计算，步进算法路径中间部分用快速的最短路径算法计算，优化分割块数、步进、搜索半径等参数使计算时间和计算精度得到最优解。Nowers等[4]优化了Dijkstra算法和A*算法的随机节点网格、权重值等参数，并用Beam-bending算法验证计算结果。Lin L等[5]针对多层的碳纤维增强塑料板，通过Christoffel方程求解不同入射方向、不同纤维取向下群速度分布后使用最短路径规则计算声波时延，提高了该结构缺陷全聚焦成像检测精度。
国内外学者对材料粗大晶引起的声波散射和衰减问题开展了大量研究。PamelAV等[6]利用Voronoi模型研究了材料晶粒结构导致的各向异性对超声波传播路径的影响以及晶粒散射对超声波信号的衰减，并通过仿真对激励频率和传感器孔径进行了优化。Fairouz等[7]将小波包分解方法应用于焊缝中缺陷回波与结构噪声分离。Petrov等[8]对焊缝超声检测数据进行了预处理方法研究，有效提高了焊缝合成孔径成像的效果。Jie Zhang等[9]比较了全聚焦成像、相干成像和空间复合成像方法的成像效果，结果表明，对于背散射较弱的材料相位成像的分辨率和信噪比更高，但对检测不同类型缺陷时全聚焦成像效果最稳定。
传统成像方法仅考虑时域幅值信息，成像精度低。相干成像同时提取幅值和相位信息进行成像，成像精度明显提高，但仅适用于各向同性结构。本发明考虑了焊缝的各向异性，将射线追踪方法引入相位相干成像中，对其声时进行修正，使其适用于各向异性结构中缺陷检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对各向异性介质中损伤检测的改进相位相干超声成像方法。在获取超声全矩阵数据的基础上，该方法通过射线追踪算法计算声波传播路径，利用该传播路径确定声时分别提取全矩阵数据的幅值和相位信息，以相位信息作为幅值信息的权重系数，从而实现各向异性介质中缺陷的高精度成像。
本发明提出的一种用于各向异性焊缝缺陷检测的改进相位相干成像方法，其基本原理在于：
声波在各向异性介质中传播时会发生偏折，利用射线追踪算法可以计算声波传播路径进而获取声波传播至各点准确时延；缺陷处声波幅值较高，无缺陷处声波幅值较低；缺陷回波处相位分布一致，相位相干性较高；噪声处相位分布散乱，相位相干性较低；将修正时延后信号的相位和幅值信息用于结构成像，可明显提高缺陷定位精度。提出的改进相位相干成像包括三个主要步骤：①对全矩阵数据进行时延修正，提取修正时延后不同激励-接收对下信号的相位信息，并构建相位权重矩阵；②提取时延修正后不同激励-接收对下信号幅值信息，并构造幅值矩阵；③对幅值和相位信息进行相干处理实现改进的相位相干成像。
(1)对全矩阵数据进行时延修正，提取修正时延后不同激励-接收对下信号相位信息，并构建相位权重矩阵：从全矩阵数据中提取不同激励-接收对下A扫信号，通过欧拉变换获取超声A扫信号中的相位信息：
Figure BDA0003061429720000031
式中H为信号的希尔伯特变换,|h|为信号的模，
Figure BDA0003061429720000032
为信号的相位角，t为声波传播时间。
若材料为各向同性材料，声波传播至任一成像点时间t可通过下式计算：
Figure BDA0003061429720000033
式中ti表示i阵元激励,rj表示j阵元接收，v为材料波速，(x,z)为任一成像点坐标，(xti,zti)为激励阵元坐标，(xrj,zrj)为接收阵元坐标。
若材料为各向异性材料，声波传播至任一成像点时间t需通过下式计算：
Figure BDA0003061429720000034
式中
Figure BDA0003061429720000035
为各向异性材料取向为
Figure BDA0003061429720000036
声波入射角为θ时对应波速。
其中，不同入射角下声波在各向异性介质中传播波速可通过求解Christoffel方程获得，Christoffel方程如下：
Figure BDA0003061429720000037
式中ρ为材料密度，λ11，λ12，λ13…通过式λim＝Ciklmnknl对各分量展开计算，例如λ11：
Figure BDA0003061429720000038
式中nk为波前法向量的方向余弦，Ciklm为材料弹性常数。
相速度和群速度大小可通过求解方程的特征值和特征向量获得，如式(6)、(7)所示：
Figure BDA0003061429720000039
式中m—慢度；
λa—特征方程的特征值；
a—x、y、z三个方向。
Figure BDA0003061429720000041
式中p—Christoffel声张量矩阵的特征向量；
cga—群速度。
Christoffel方程求得的三个解，最大值为纵波波速大小另外两个为横波波速大小，在各向异性介质中这三个波分别称为准纵波(qL)、准水平偏振波(qSH)、准水平偏振横波(qSV)。
上述求解过程适用于单层各向异性介质声速的求解，若晶粒取向改变则需对应力张量转换矩阵M进行转换，如(8)、(9)。将转换后的应力张量转换矩阵代入Christoffel方程中即可求出不同入射角下介质中波速。
Figure BDA0003061429720000042
Figure BDA0003061429720000043
求解多层结构波速分布的前提是各层结构取向分布和声波在各层介质上入射角已知。针对各向异性焊缝结构，OGILVY模型用经验解析式将焊区分为不同取向的多层结构，如图2所示，其经验公式如下：
Figure BDA0003061429720000044
Figure BDA0003061429720000045
式中D为焊缝下部宽度，α为焊缝熔接面角，z为试件深度，T为焊接初始角，η为控制晶粒取向改变的焊接速率。
通过求解两介质边界折射点可反推声波的入射角。已知激励点位置A(xtr,ztr)和下一层某像素点坐标C(x,z)，根据Snell定律和几何结构关系联立方程可求得折射点B(xt,zt)坐标：
Figure BDA0003061429720000051
其中：
Figure BDA0003061429720000052
p4＝β-1；
p3＝2xtr-2βxtr+2x-2βx；
Figure BDA0003061429720000053
Figure BDA0003061429720000054
Figure BDA0003061429720000055
剔除多项式方程的复数解，即可找到满足实际条件的根xt。
将求解的波速和入射角代入式(3)，即可求得声波在各向异性介质中传播至任一成像点所需时间，从而实现全矩阵数据的时延修正。在此基础上，可以按照式(1)提取出修正时延后全矩阵数据的相位信息。
将式(1)中信号的模忽略可得：
Figure BDA0003061429720000056
那么，相位的方差可写为：
var(Q)＝E[(Q-β)(Q-β)*]      (14)
其中β为Q的平均值，相位信息的标准差如下：
Figure BDA0003061429720000057
对相位标准差进行归一化处理，并用其构建权重矩阵：
Figure BDA0003061429720000058
式中
Figure BDA0003061429720000059
Figure BDA00030614297200000510
N是阵元数，t为i阵元激励j阵元接收信号传播至点(x,z)所需时间，
Figure BDA00030614297200000511
是声波从i阵元激励j阵元接收时传播至像素点(x,z)处相位。
(2)提取修正时延后不同激励-接收对下幅值信息，构造幅值矩阵：提取式(17)中修正声时后全矩阵数据中各A扫信号的幅值信息，计算每个激励-接收对下声波传播至各成像点声波幅值，将所有激励-接收对下在同一成像点幅值进行叠加并做归一化，如下式所示：
Figure BDA0003061429720000061
(3)对幅值和相位信息进行相干处理实现相位相干成像：由构建的相位权重矩阵作为幅值矩阵的权重系数进行成像，公式如下：
APCI-TFM(x,z)＝|ATFM(x,z)WPCI(x,z)|       (16)
在相位一致性较好时数值趋近于1，一致性较差时数值趋近于0。本发明在相位相干成像算法提取幅值和相位信息时，用射线追踪算法对声波传播时延进行了校正，使相干成像的检测效果进一步提升。
所述的一种用于各向异性焊缝缺陷检测的改进相位相干成像方法，其特征在于：考虑奥氏体不锈钢焊缝各向异性特点，利用射线追踪算法对相干成像中声束走时进行修正，发展一种改进的相位相干成像方法，实现各向异性焊缝中缺陷定位和高精度成像。
本发明提出的一种用于各向异性焊缝缺陷检测的改进相位相干成像方法是通过以下步骤实现的：
1、焊缝区晶粒取向分布：假设材料为横观各向同性，母材为各向同性材料，焊缝区为各向异性材料。横观各向同性材料的弹性常数矩阵如下：
Figure BDA0003061429720000062
其中各向异性弹性常数由材料决定。根据OGILVY模型规则获取焊缝区各成像点晶粒取向分布，把焊缝区分为左右对称的六个不同晶粒取向区域，每个区域内晶粒取向统一设置为该区域内占比最大取向。
2、焊缝区波速求解：在子函数中定义晶粒取向，输入弹性系数矩阵及密度，确定波矢的余弦向量，根据声张量表达式求得λ11、λ22、λ33、λ12、λ13、λ23值，分别代入Christoffel方程求解三个解及其对应三个特征向量，特征解和特征向量分别用于求解相速度和群速度大小。根据各群速度大小反推声波传播方向，即可得到特定晶粒取向和入射方向下群速度的大小。设置晶粒取向为0～360°获取该材料不同晶粒取向不同入射角下速度矩阵。
3、超声传播路径确定：在主函数中导入步骤(2)中速度矩阵，定义激励频率、各阵元的宽度和位置坐标、焊缝边界、母材区波速、晶粒取向分布以及成像区像素点间距；根据结构层数设置子参数个数，第一个子函数计算声波传播至第一层边界上所有离散点时间，第二个子函数计算第一层边界各离散点到第二层边界各离散点时间，确定穿过第一层到第二层所需时间最短路径，此路径为从激励点到第二层边界传播路径；依次计算从激励点到各层边界离散点传播路径并计算声时；判断像素点所处位置，该像素点上一层所有边界上离散点到该点所需时间最少对应路径作为声波真实传播路径，输出不同阵元激励下声波传播至各像素点时间阵。
4、提取幅值矩阵：调用步骤(3)中时间矩阵提取三维全矩阵数据中每一个激励-接收对下声波传播至各像素点幅值信息，将所有激励-接收对下对同一像素点幅值进行叠加
Figure BDA0003061429720000071
并做衰减补偿和阵元不一致性补偿，最后对其进行归一化。
5、相位相干成像：调用步骤(3)中时间矩阵提取三维全矩阵数据中每一个激励-接收对下声波传播至各像素点相位信息，将相位信息按
Figure BDA0003061429720000072
构造相位权重矩阵并做归一化，最后把相位权重矩阵按式APCI-TFM(x,z)＝|ATFM(x,z)WPCI(x,z)|与步骤(4)中幅值矩阵处理，按数值大小成像即可获得高精度缺陷成像结果。
本发明具有以下优点：(1)基于射线追踪算法计算得到的声波从激励点传播至成像点时延提取信号幅值信息，可消除声束偏折导致缺陷定位精度不高的影响；(2)基于射线追踪算法计算得到的声波从激励点传播至成像点时延提取信号相位信息构造相位矩阵，对幅值矩阵进行权重处理，可消除焊缝区粗大晶产生的散射噪声对成像效果的影响。
附图说明
图1是焊接试件检测示意图；
图2是基于OGILVY规则的焊缝区域划分图；
图3是射线追踪路径示意图；
图4是缺陷处和非缺陷处幅值信息；
图5是缺陷处和非缺陷处相位信息；
图6是缺陷成像展示：a)普通全聚焦成像，b)改进相位相干成像；
图7是流程图；
其中：1—相控阵探头；2—母材区；3—焊缝区；4—缺陷；5—声波传播路径；6—缺陷处幅值；7—噪声处幅值；8—缺陷处相位；9—噪声处相位
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
如图7所示，一种用于各向异性焊缝缺陷检测的改进相位相干成像方法的具体实施步骤为：
1、焊缝区晶粒取向分布：检测对象为304不锈钢对接焊试件，母材为各向同性材料，焊缝区为各向异性材料。304不锈钢的弹性常数矩阵如下：
Figure BDA0003061429720000081
其中c11＝204.6GPa，c12＝137.3GPa，c44＝126.2GPa。根据OGILVY规则获取焊缝区晶粒取向分布规律，把焊缝区分为左右对称的六个不同晶粒取向区域，晶粒取向分别为为285°、315°、330°、30°、45°及75°。
2、焊缝区波速分布求解：在子函数中定义晶粒取向，设置声波入射方向为0～360°，输入弹性系数矩阵及密度，确定波矢的余弦向量。根据晶粒取向计算坐标变化后的弹性常数矩阵，根据λim＝Ciklmnknl求得λ11、λ22、λ33、λ12、λ13、λ23值，将其代入Christoffel方程求解三个特征解及三个对应的特征向量，特征解和特征向量分别用于求解相速度和群速度(cga1、cga2、cga3)大小。根据各群速度大小按式ght＝atan(cga1/cga3)计算声波传播方向，输出确定晶粒取向不同声波入射方向下声速和声波传播方向矩阵。
3、超声传播路径确定：在主函数中导入步骤(2)中速度矩阵，定义5MHz激励、32阵元探头步置在靠近焊缝的试件上表面各阵元位置、阵元宽度0.6mm、焊缝边界、母材区波速5695m/s、成像区像素点间距为0.1mm，定义晶粒取向角度分布为285°、315°、330°、30°、45°及75°；设置7个子函数，第一个子函数计算声波从激励阵元传播至第一层边界上所有离散点时间，第二个子函数计算第一层边界各离散点到第二层边界各离散点时间，确定穿过第一层到第二层所需时间最短路径，此路径为声波从激励阵元传播到第二层边界传播路径；依次计算从激励点到所有边界离散点传播路径；判断像素点所处位置，该像素点上一层所有边界上离散点到该点所需时间最少对应路径作为声波真实传播路径，输出不同阵元激励下声波传播至各像素点时间阵。
4、全聚焦成像：调用步骤(3)中时间矩阵提取32×32×4000三维全矩阵数据中每一个激励-接收对下声波传播至各像素点幅值信息，如图6中的(b)，将所有激励-接收对下对同一像素点幅值进行叠加并做衰减补偿和阵元不一致性补偿，最后对其进行归一化。
5、相位相干成像：调用步骤(3)中时间矩阵提取32×32×4000三维全矩阵数据中每一个激励-接收对下声波传播至各像素点相位信息，如图6中的(b)，将相位信息按式
Figure BDA0003061429720000091
计算相位权重矩阵并做归一化，最后把相位权重矩阵按式APCI-TFM(x,z)＝|ATFM(x,z)WPCI(x,z)|与步骤(4)中幅值矩阵处理，按数值大小成像即可获取高精度缺陷成像结果，如图7。
上述步骤只是本发明的一个典型实施例，本发明的实施不限于此。
参考文献
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Claims (1)

1.一种用于各向异性焊缝缺陷检测的改进相位相干成像方法，其特征在于，该方法是通过以下步骤实现的：
S1、焊缝区晶粒取向分布：假设材料为横观各向同性，母材为各向同性材料，焊缝区为各向异性材料；根据OGILVY模型规则获取焊缝区各成像点晶粒取向分布，把焊缝区分为左右对称的六个不同晶粒取向区域，每个区域内晶粒取向统一设置为该区域内占比最大取向；
S2、焊缝区波速分布求解：在子函数中定义晶粒取向，设置声波入射方向为0～360°，输入弹性系数矩阵及密度，确定波矢的余弦向量；根据晶粒取向计算坐标变化后的弹性常数矩阵，求得λ11、λ22、λ33、λ12、λ13、λ23值，代入Christoffel方程求解三个特征解及三个对应的特征向量，特征解和特征向量分别用于求解相速度和群速度cga1、cga2、cga3大小；根据各群速度大小按式ght＝atan(cga1/cga3)计算声波传播方向，输出确定晶粒取向不同声波入射方向下声速和声波传播方向矩阵；
S3、超声传播路径确定：在主函数中导入步骤(2)中入射方向下声速和声波传播方向矩阵，定义激励频率、各阵元的宽度和位置坐标、焊缝边界、母材区波速、晶粒取向分布以及成像区像素点间距；根据结构层数设置子参数个数，第一个子函数计算声波传播至第一层边界上所有离散点时间，第二个子函数计算第一层边界各离散点到第二层边界各离散点时间，确定穿过第一层到第二层所需时间最短路径，此路径为从激励点到第二层边界传播路径；依次计算从激励点到所有边界离散点传播路径；判断像素点所处位置，该像素点上一层所有边界上离散点到该点所需时间最少对应路径作为声波真实传播路径，输出不同阵元激励下声波传播至各像素点时间矩阵；
S4、提取幅值矩阵：调用步骤(3)中时间矩阵提取三维全矩阵数据中每一个激励-接收对下声波传播至各像素点幅值信息，将所有激励-接收对下对同一像素点幅值进行叠加，并做衰减补偿和阵元不一致性补偿，最后进行归一化；
S5、相位相干成像：调用步骤(3)中时间矩阵提取三维全矩阵数据中每一个激励-接收对下声波传播至各像素点相位信息，将相位信息按构造相位权重矩阵并做归一化，最后把相位权重矩阵按式与步骤(4)中幅值矩阵处理，按数值大小成像即可获得高精度缺陷成像结果；
所述的OGILVY模型用经验解析式将焊区分为不同取向的多层结构
Figure FDA0004049397030000021
Figure FDA0004049397030000022
式中D为焊缝下部宽度，α为焊缝熔接面角，z为试件深度，T为焊接初始角，η为控制晶粒取向改变的焊接速率。
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